수동, 능동, 반능동 및 복합 시스템을 이용한 사장교의 지진응답 제어

박규식,정형조,이인원 한국지진공학회 2003 한국지진공학회논문집 Vol.7 No.1

본 연구에서는 수동, 능동, 반능동 및 복합 시스템과 같은 다양한 제어시스템의 효율성을 미국토목학회에서 제시한 지진하중을 받는 첫번째 벤치 마크 사장교을 이용해 조사하였다. 이 벤치마크 문제는 2003년 완공 예정으로 미국 Mississippi주에 건설중인 Bill Emerson Memorial교를 대상 구조물로 고려하였다. Bill Emerson Memorial 교는 New Madrid 지진구역에 위치하고 Wississippi 강을 횡단하는 주요 교량이라는 점 때문에 설계 단계에서부터 내진설계가 고려되었다. 사장교의 상세한 설계도면에 기초해 교량의 복잡한 거동을 나타낼 수 있는 3차원 선형모델과 각 제어시스템의 성능을 평가하기 위한 18개의 평가기준이 개발되었다. 본 연구에서는 네 종류의 수동제어 시스템, 한 종류의 능동제어 시스템, 두 종류의 반능동제어 시스템 밑 세 종류의 복합제어 시스템이 고려되었다. 수치해석 결과 모든 제어시스템은 지진하중을 받는 벤치마크 사장교의 응답을 감소시켰다. 그러나, 수동제어 시스템의 경우에는 뛰어난 제어성능을 얻기 위해서 다른 제어시스템에 비해 커다란 제어력을 필요로했다. 강인성에 관한 수지해석 결과에 따르면, 수동, 반능동 및 복합제어 시스템이 구조물 강성의 불확실성에 대해 강인함을 보였다. 따라서, 반능동 및 복합제어 시스템이 토목구조물과 같은 대형구조물의 실제 적용에 보다 적절하다. This paper preliminarily investigates the effectiveness of various control systems, such as passive, active, semiactive and hybrid control, for seismic protection of cable-stayed bridges by examining the ASCE first generation benchmark problem for a cable-stayed bridge. This benchm.0.00000ark problem considers the cable-stayed bridge that is scheduled for completion in Missouri, USA In 2003. Seismic considerations were strongly considered in the design of this bridge due to location of the bridge and its critical role as a principal crossing of the Mississippi River. Based on detailed drawings of this cable-stayed bridge, a three-dimensional linearized evaluation model has been developed to represent the complex behavior of the bridge. A set of eighteen evaluation criteria has been developed to evaluate the capability of each control system. In this study, four passive control systems, one active control system, two semiactive control systems and three hybrid control systems are considered. Numerical simulation results show that all the control systems are effective in reducing the responses of the benchmark cable-stayed bridge under the historical earthquakes. To get good performance, however, the passive control systems need quite large control forces compared to other control systems. The simulation results also demonstrate that the passive, semiactive and hybrid control systems are robust to the stiffness uncertainty of the structure. Therefore, the semiactive and hybrid control systems are more appropriate in real applications for full-scale civil infrastructures.

스마트 수동 제어 시스템을 이용한 면진 건물의 내진 성능 개선

정형조,정찬국,최강민,이인원 한국지진공학회 2006 한국지진공학회논문집 Vol.10 No.6

본 연구에서는 면진 건물의 내진 성능을 개선하기 위하여 최근 개발된 스마트 수동 제어 시스템을 적용하고 이의 효용성을 수치 모의실험을 통해 검증하였다. 스마트 수동 제어 시스템은 효과적인 반능동 제어 장치로 알려진 MR 감쇠기에 전자기 유도부를 도입하여 응답 변화에 따라 MR 감쇠기로 입력되는 전류를 변화시킴으로써 MR 감쇠기의 감쇠 특성을 조절하는 새로운 개념의 스마트 제진 시스템이다. 스마트 수동 제어 시스템에서 전자기 유도부는 영구자석과 솔레노이드 코일로 구성되며, 기존 스마트 제진 시스템의 계측기, 제어기, 외부 전원장치를 한꺼번에 대체할 수 있다. 면진 건물에 대한 스마트 수동 제어 시스템의 내진 성능을 수치적으로 검증하기 위하여 미국토목학회에서 제시한 면진 건물에 대한 벤치마크 제어 문제를 활용하였다. 스마트 수동 제어 시스템의 제진 성능을 MR 감쇠기를 이용한 기존 스마트 제어 시스템의 성능과 비교하였다. 수치 모의실험 결과를 통해 스마트 수동 제어 시스템이 면진 건물의 내진 성능을 개선하는 데 매우 유용함을 확인하였다. In this study, the efficacy of the newly developed smart passive control system to improve seismic performance of base isolated building structures is numerically verified. The smart passive control system consists of a magnetorheological (MR) damper and an electromagnetic induction (EMI) part. The damping characteristics of an MR damper can be controlled by the current generated in an EMI part according to the Faraday's law of electromagnetic induction. An EMI part consisting of a permanent magnet and a solenoid coil could substitute a control system including sensors, a controller and an external power supply in a conventional smart control system. The benchmark control problem for a base isolated building presented by the american society of civil engineers is considered for numerical simulation. The control performance of the smart passive control system is compared to that of the conventional smart control system using MR dampers. It is demonstrated from the numerical simulation results that the smart passive control system is useful to improve the seismic performance of base isolated buildings.

TLCD를 이용한 변동 풍하중에 대한 구조물의 진동 완화에 관한 수치적 연구

권대건,Ahsan Kareem 한국풍공학회 2004 한국풍공학회지 Vol.8 No.1

본 연구에서는 변동 풍향하중 및 변동 풍향횡하중을 받는 구조물에 대하여 TLCD를 이용한 동적거동의 완화에 관한 수치적 연구를 수행하였다. 이를 위하여 변동 풍하중의 스펙트럼으로부터 양방향 풍하중의 시간이력을 구하여 대상 구조물의 외부하중들로 작용시켜 시간이력해석을 수행하였으며 TLCD의 비선형 감쇠항을 간단히 처리하는 방법에 대하여 제안하였다. 그리고 수동제어로써의 TLCD의 제어효과뿐만 아니라 TLCD의 장점 중 하나인 반능동제어로써의 제어 성능에 대한 평가도 수행하였고 새로운 능동제어 방식을 제시하였으며 또한 새로운 TLCD 장치와 다중 TLCD의 설치방안을 제안하였다. 해석결과 제안된 전 시간단계의 유체속도를 그대로 이용하여 TLCD의 비선형 감쇠항을 처리하는 방법은 시간간격이 작을수록 신뢰할만한 결과를 얻었으며 변동 풍하중에 대한 TLCD의 수동/반능동/능동제어에 대한 제어효과를 비교한 결과 본 연구에서 제시된 능동제어방식은 가장 좋은 제어효과를 나타내었다. 하지만 능동제어의 경우 비교적 큰 제어력을 필요로 하였으며 반능동제어의 경우는 밸브를 조절할 수 있는 작은 힘만으로도 수동제어보다는 좋은 효과를 나타낼 수 있다고 판단되었다. 본 연구에서 제안한 새로운 TLCD 장치 및 다중 TLCD의 설치방안은 양 방향의 풍하중 및 지진하중과 같은 동적하중에 의한 구조 시스템의 진동에 대하여 제어효과를 보일 것으로 예상되며 비틀림 하중에 의한 거동의 경우에도 그 효과를 나타낼 것으로 예상된다. The present study is concerned mainly with a numerical study on mitigation of structural vibration for structural control applications using TLCD. To achieve this goal, two fluctuating wind loads are first generated by means of wind spectra in both directions, that is, alongwind and acrosswind, and a simple method is proposed to deal with nonlinear damping of TLCD. A controllable passive(semiactive) and proposed active TLCD systems are utilized to overcome the shortcomings of passive system. It is found that proposed active system is very effective to reduce the structural vibration in both cases of alongwind and acrosswind without considering the requirement of large control force. On the other hand, semiactive system shows lesser response reduction than the case of active system, while exhibits further reduction in the responses than that of passive system. However, semiactive system has a merit in the control force aspect because it requires relatively small control force to mitigate excessive structural vibration by utilizing controllable valve. Finally, new concepts of TLCD system and installation of multiple-TLCD are proposed to cope with bi-directional and torsional vibrations of structure due to wind/seismic loads.

피치 운동을 고려한 자기부상 수동형 이송자 제어

이영학(Younghak Lee),김창현(Chang-Hyun Kim),하창완(Chang-Wan Ha),박도영(Doh-Young Park),양석조(Seok-Jo Yang),임재원(Jaewon Lim) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集A Vol.40 No.2

자기부상 수동형 이송 시스템이란 이송자에 부상, 안내, 추진과 관련된 전원장치가 없어 고청정, 무분진이 요구되는 환경에서 사용 가능한 시스템으로써 대면적 디스플레이 공정산업, 반도체 이송장비 등에 활용가능하다. 이 시스템은 이송 대상물의 안정적 운반을 위하여 이송자의 정밀한 자세 제어가 필요하다. 하지만 이송자의 구조적 특징 및 공극 센서 설치 오차에 의해 이송자의 피치운동이 발생하며 이를 해결하기 위한 제어기 설계가 필요하다. 본 논문에서는 자기부상 수동형 이송 시스템의 이송자 피치 운동을 감소시키는 제어에 목적이 있다. 이를 수행하기 위하여 해석적으로는 PDA 제어 모델과 피치제어를 추가한 제어 모델의 피치 각도를 비교한다. 실험적으로는 제어기 변경이 이송자의 피치 각도 및 부상 정밀도에 미치는 영향을 분석한다. 이러한 제어기 설계 변경이 피치 운동에 미치는 영향을 분석하고 부상 정밀도 향상을 위한 방법을 제시한다. This research aims to develop core technologies for passive carrier (no power in carrier itself) transfer system. The technologies are passive levitation, propulsion, and guidance, which can be great benefits for semiconductor and display manufacturing industries. Passive maglev carrier is necessary to precise position control for quiet and stable transfer operation. However, the structural characteristics of carrier and the installation errors of gap sensors cause the pitch motion. Hence, the controller design in consideration of pitch motion is required. This study deals with the reduction control of carrier pitch motion. PDA controller and PDA controller with pitch control are proposed to compare the pitch angle analysis. The pitch angle and the levitation precision are measured by experiment. Finally, the optimized design of pitch controller is presented and the effects are discussed.

원판의 반작용을 이용한 역진자의 강인 자세 제어

박상형(Sang-Hyung Park),이해창(Hae-Chang Lee),임성묵(Seong-Muk Lim),김정수(Jung-Su Kim) 한국지능시스템학회 2016 한국지능시스템학회논문지 Vol.26 No.2

본 논문에서는 원판의 반작용을 이용하는 역진자의 강인 자세 제어를 위한 강인 제어 기법을 소개한다. 이를 위해 원판 반작용을 이용하여 자세 조정이 가능한 시스템을 설계한다. 설계된 시스템의 수학적 모델을 구하고 그 수학적 모델을 이용하여 제어기를 설계한다. 설계한 강인 제어 기법은 두 부분으로 구성되어 있다. 초기에는 역진자의 swing up을 위한 수동성 기반의 제어기(passivity based control)를 사용하고 역진자의 자세가 수직 위치 근방에 오면 강인 안정화 제어기로 제어기를 변경한다. 강인 안정화 제어기가 필요한 이유는 역진자 시스템에서 관성 모멘트를 불확실성을 다루기 위함이다. 모의 실험과 실제 실험을 통해 제안하는 제어기가 효과적으로 원판 반작용에 기반한 역진자의 자세 제어를 달성함을 보인다. This paper presents a robust control of a reaction wheel inverted pendulum. To this end, a mathematical model is derived using physical laws, and then parameters in the model are identified as well. Based on the model, a robust position control is designed, which consists of two parts: swing-up control using passivity and robust stabilization control using LMI (Linear Matrix Inequality). When the pendulum starts to move, the swing-up control is applied. If the position of the pendulum is near the desired upright position, the control is switched to the robust stabilization control. This robust control is employed in order to deal with the uncertainties in the inertia of the pendulum dynamics. The performance of the proposed control scheme is validated not only simulation but also real experiment.

진동제어를 위한 준능동 TMD의 제어기법

이기학,김기철,이은숙,Lee, Ki-Hak,Kim, Gee-Cheol,Lee, Eun-Suk 한국공간구조학회 2007 한국공간구조학회지 Vol.7 No.2

경간이 길어지고 강성이 유연한 바닥판 구조물은 처짐과 진동에 같은 사용성에 있어서 많은 문제점을 가지고 있다. 따라서 다양한 진동제어 시스템이 제공되고 있으며 TMD와 같은 수동제어 시스템은 적용에 있어서 한계가 있다. 본 논문에서는 MR감쇠기와 TMD를 조합한 준능동 TMD의 제어기법에 따른 제어성능을 알아보았다. 준능동 TMD의 감쇠기를 Groundhook 모델로 모형화한 경우에 주구조물인 바닥판 구조물의 진동제어에 있어서 보다 효과적인 것을 볼 수 있으나 TMD의 변위를 제어해야 하는 경우에 준능동 TMD의 감쇠기를 Skyhook 모델로 모형화하여 진동을 제어할 필요가 있다. 그리고 바닥판 구조물과 TMD를 동시에 제어해야하는 경우에는 Hybrid 제어기법이 우수한 제어성능을 보이고 있다. A conventional passive TMD is only effective when it is tuned properly. In many practical applications, inevitable off-tuning of a TMD occurs because the mass in a building floor could change by moving furnishings, people gathering, etc. When TMDs are offtuned, TMDs their effectiveness is sharply reduced. Moreover, the off-tuned TMs can excessively amplify the vibration levels of the primary structures. This paper discusses the application of a new class of MR damper, for the reduction of floor vibrations duo to machine and human movements. The STMD introduced uses a MR damper called to semi-active damper to achieve reduction in the floor vibration. Here, the STMD and the groundhook algorithm are applied to a single degree of freedom system representative or building floors. The performance or the STMD is compared to that or the equivalent passive TMD. In addition, the effects of off-tuning due to variations in the mass of the floor system. Comparison of the results demonstrates the efficiency and robustness of STMD with respect to equivalent TMD.

MR댐퍼 기반의 스마트 수동제어 시스템

조상원,조지성,김춘호,이인원 한국지진공학회 2005 한국지진공학회논문집 Vol.9 No.1

본 연구에서는 위의 어려움을 해결하기 위해, 스마트 수동제어 시스템을 제안하였다. 스마트 수동제어 시스템은 MR댐퍼와 EMI시스템으로 구성되며, EMI시스템은 영구자석과 솔레노이드 코일로 이루어진다. EMI시스템은 MR댐퍼의 왕복운동에너지를 전기에너지로 변환하므로, 스마트 수동제어 시스템은 외부 전원 없이 외부하중에 따라 댐퍼의 점성을 바꾸는 적응성을 갖는다. 따라서 간단하고 효율적인 장치로써, 대형토목구조물에 적용 가능하다. 이의 확인을 위해 예제를 통한 수치해석을 수행하였으며, 스마트 수동제어 시스템이 강진에 대해서는 기존의 반능동 제어 MR댐퍼 시스템 보다 우수한 성능을 보인다. Magnetorheological(MR) dampers are one of the most promising semi active control devices, because they have advantages such as small power requirement, reliability, and low price to manufacture. To reduce the responses of structures with MR dampers, a control system including power supply, controller, and sensors is required. However, when a mount of MR dampers are used to a large?scale civil structure such as cable stayed bridges, the control system becomes complex. Therefore, it is not easy to install and maintain the MR damper based control system. To resolve above difficulties, This paper proposes a smart passive system that consists of a MR damper and an electromagnetic induction(EMI) system. According to the Faraday’s law of induction, EMI system that is attached to the MR damper produces electric energy. The produced energy is supplied to the MR damper. Thus, the MR damper with EMI system does not require any power at all. Furthermore, the induced electric energy is proportional to external loads like earthquakes, which means the MR damper with EMI system is adaptable to external loads without any controller and corresponding sensors. Therefore, it is easy to build up and maintain the proposed smart passive system.

진동대 실험을 통한 신개념 스마트 수동제진장치의 제진성능 평가

장동두,정형조,문석준,Jang, Dong-Doo,Jung, Hyung-Jo,Moon, Seok-Jun 한국전산구조공학회 2010 한국전산구조공학회논문집 Vol.23 No.1

본 논문에서는 지진이나 강풍과 같은 동적하중으로부터 구조물을 효과적으로 보호하기 위한 MR 감쇠기 기반의 스마트수동시스템의 제진성능을 파악하였다. 스마트 수동시스템은 MR 감쇠기와 MR 감쇠기의 전력원으로 사용하기 위한 전자기유도(Electromagnetic Induction, EMI)장치를 결합시킨 시스템이다. EMI 장치는 영구자석과 코일로 이루어져 있으며, MR감쇠기와 같이 구조물에 설치되어 구조물의 상대변위에 의해 발생하는 운동에너지를 Faraday의 전자기유도법칙에 따라 전기에너지로 변환시켜 감쇠특성을 변화시키기 위해 MR 감쇠기에 제공하게 된다. 스마트 수동 제어시스템은 기존의 MR 감쇠기 기반 반능동 제진시스템에서 필요로 하는 센서, 제어기, 전원공급장치 등의 피드백 제어시스템을 EMI 장치로 대체함으로써 훨씬 간편하고 설치 및 유지관리가 용이하게 된다. 본 연구에서는 6층 규모의 철골 구조물을 대상으로 다양한 역사지진 하중에 대한 진동대 실험을 통해 스마트 수동 제어시스템의 제진성능을 확인하였다. This paper presents the vibration control performance of the smart passive control system to suppress the undesired vibration of the structure subjected to the earthquake loadings. Smart passive control system is the MR damper-based control system augmented with electromagnetic induction(EMI) device which consists of permanent magnets and solenoid coils. According to the Faraday's law of electromagnetic induction, an EMI device produces electrical energy from the mechanical energy due to the reciprocal motions of the structure and provide it to the MR damper. The smart passive control system can be the simple and easy to implement and maintain control system by replacing the feedback control system including sensors, controllers and external power sources of the conventional MR damper-based semiactive control system with the EMI device. The control performance of the smart passive control system is evaluated through the set of shaking table test considering the various historical earthquake loadings.

Tuned Mass Damper를 이용한 Linear Quadratic Gaussian 하이브리드 제진

최요섭 대한건축학회지회연합회 2005 대한건축학회지회연합회 학술발표대회논문집 Vol.1 No.1

The purpose of this study is to investigate the effectiveness of a LQG Hybrid controller to suppress the earthquake disturbance for the building structure. The ground acceleration of N-S component of El-Centro earthquake is scaled to confirm that the building behaves within the elastic range. The tuned mass damper(TMD) on the top floor regulated by LQG algorithm is designed to control the floor displacements. The displacement responses of the hybrid control are compared with those obtained from an active control along with a passive control. The results showed that the LQG hybrid control used approximately 50% less input forces than an active control to satisfy the performance criteria.

압력에 따른 평행박막 밸브의 자율 변형을 이용한 수동형 유량 제어기의 동적특성 평가

도일(Il Doh),조영호(Young-Ho Cho) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.8

본 연구에서는, 미소유체시스템 상에서 정밀한 유체 제어를 위해 입력압력이 변하여도 일정한 유량을 유지할 수 있는 수동형 유량제어기를 개발함에 있어, 주기적으로 변화하는 압력에 대한 유량제어기의 동적특성을 평가하였다. 압력 변화의 주기보다 짧은 시간 내에 유량을 측정하기 위하여 입자영상속도계(Particle Image Velocimetry, PIV) 방법을 이용하였다. 지름이 0.7μm 인 형광입자가 담긴 탈이온수를 유량제어기에 공급하고, 펄스레이저와 형광현미경을 이용하여 10μs 간격의 연속된 사진을 얻고 이를 분석하여 유량제어기를 통과한 후의 유체의 속도를 측정하였다. 개발된 유량제어기는 20kPa과 50kPa사이를 주기적으로 변화하는 60Hz 의 압력 하에서 0.194±0.014m/s 의 일정한 유속을 유지함을 실험적으로 확인하였다. 압력의 주파수를 1~60Hz까지 변화시켜가며 수행한 실험에서도 유량제어기는 압력의 주파수에 상관없이 5.82±0.29μl/s 의 일정한 유량 공급이 가능함을 확인하였다. We performed a dynamic characterization of passive flow-rate regulators, which compensate for inlet pressure variation and maintain a constant flow rate for precise liquid control in microfluidic systems. To measure the flow rate for a short time, much less than the period of the dynamic inlet pressure, we use the particle image velocimetry (PIV) method. DI water containing fluorescent beads with a 0.7-μm diameter was supplied to the flow-rate regulators, and two successive images of the particles were taken by a pulse laser and a fluorescent microscope to measure the flow velocity. For a dynamic inlet pressure of frequency 60 Hz, the flow velocity was constant with an average of 0.194 ± 0.014 m/s as the inlet pressure varied between 20 kPa to 50 kPa. The flow-rate regulators provided a constant flow rate of 5.82±0.29 μl/s in the frequency range of the inlet pressure from 1 Hz to 60 Hz.